改造博斯特燙金機(jī)，跳步輥3根變4根，改后速度精度雙達(dá)標(biāo)
時(shí)間：2022-01-20 來源：
隨著煙包行業(yè)的發(fā)展，煙包印刷工藝越來越精細(xì)化、復(fù)雜化，其中，燙印工藝能極大地提升包裝產(chǎn)品的美觀度。多重燙印、壓凹凸?fàn)C印、實(shí)地燙印等各類工藝不斷發(fā)展，這對(duì)燙金機(jī)提出了更高的性能要求。而受設(shè)計(jì)及技術(shù)限制，大多數(shù)燙金機(jī)難以滿足所有新產(chǎn)品的工藝需求。
我公司成型部生產(chǎn)線配置博斯特BMA燙金機(jī)，在采購時(shí)均選用內(nèi)置3根燙印跳步軸機(jī)型，而部分產(chǎn)品的燙印工藝需要同時(shí)使用4根以上（如3根全息燙和1根壓凹凸?fàn)C跳步軸），導(dǎo)致該設(shè)備無法滿足一次性完成燙印生產(chǎn)需求，嚴(yán)重制約了產(chǎn)能安排。因此，在博斯特BMA燙金機(jī)現(xiàn)有3根跳步軸的基礎(chǔ)上，通過對(duì)原燙印軸中的1根實(shí)施切分的方式，增加1根跳步軸，開發(fā)一種基于主從追隨的多軸同步控制系統(tǒng)。
根據(jù)對(duì)原系統(tǒng)、原電氣圖紙的分析，并結(jié)合設(shè)備理清系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件組成、設(shè)計(jì)原理，以及新功能需求的相關(guān)信息。
表1為需要交互的IO信息。
表1 需要交互的IO信息
表2為硬件安裝信息。
表2 硬件安裝信息
(1)新增跳步軸控制原理
新增的燙印跳步軸需要通過獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滿足整體套印精度的運(yùn)動(dòng)性能要求。通過構(gòu)建電機(jī)動(dòng)態(tài)模型，分析原裝跳步軸伺服電機(jī)的非線性耦合特性，利用負(fù)載觀測器、誤差估算與加裝跳步軸的線性耦合特性，以及主從追隨控制理論、粗差分析和積分滑模控制等方式，提高新增跳步輥的整體負(fù)載均衡和同步跟隨響應(yīng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。在項(xiàng)目研發(fā)及實(shí)施過程中，通過優(yōu)化跳步軸控制參數(shù)，設(shè)計(jì)出一種基于主從追隨的多軸同步控制系統(tǒng)。
(2) 觸摸屏參數(shù)設(shè)置
觸摸屏參數(shù)設(shè)置如圖1，包括光標(biāo)標(biāo)長、輸入色標(biāo)標(biāo)定位置及偏差、跳步選擇、鋁箔參數(shù)。
圖1 觸摸屏參數(shù)設(shè)置
(3)新增硬件
①增補(bǔ)1個(gè)跳步輥伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，選西門子S120伺服系統(tǒng)。
②增加IO模塊與原系統(tǒng)PLC進(jìn)行信號(hào)交換（替換原來部分）。
③新增西門子運(yùn)動(dòng)控制器D作為燙印部分控制器。
④新增觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。
⑤新增小控制柜板。
改造方框圖如圖2所示。
圖2 改造方框圖
(4)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
原跳步系統(tǒng)共有A、B、C（以下簡稱C軸為“主軸”）3根跳步軸，分別由獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過同步皮帶實(shí)施控制。為實(shí)現(xiàn)增加跳步軸功能（增加跳步軸以下簡稱“從軸”），先對(duì)原C軸從中部切分，分為兩段，中間部分加入擋圈，兩根軸分別獨(dú)立控制。原C軸分為了主軸和從軸，如圖3所示。
圖3 原C軸分為了主軸和從軸
默認(rèn)主軸和從軸外輥半徑滿足R主=R從，伺服電機(jī)角速度一致，光標(biāo)最大位置偏差量設(shè)定為1mm。
(5) 獨(dú)立控制模塊結(jié)構(gòu)分類
獨(dú)立控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括控制單元、執(zhí)行單元、檢測單元幾個(gè)部分。
觸摸屏模塊、輸入輸出模塊、通信模塊與PLC模塊相連。PLC模塊，接收各類信號(hào)反饋信息，經(jīng)信息處理后輸出指令給執(zhí)行單元。觸摸屏模塊SIMATIC HMI TP1200，用于顯示各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，人工輸入指令。輸入輸出模塊ET200SP，用于將PLC模塊的指令轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。通信模塊，用于獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主體設(shè)備交換運(yùn)行信息。運(yùn)動(dòng)控制器SIMOTION，用于控制伺服電機(jī)的運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)的位置、速度以及轉(zhuǎn)矩的控制。燙印軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燙印工序跳步步驟的程序化控制。
糾偏傳感器，調(diào)整鋁箔左右位置，防止跑偏。伺服電機(jī)M，帶動(dòng)跳步輥執(zhí)行燙印工作。伺服驅(qū)動(dòng)器S120，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，用于高精度定位系統(tǒng)。固態(tài)繼電器，用于電子元件的隔離與繼電切換功能。
全息電眼SENSOR，檢測鋁箔狀態(tài)，反饋材料信息（如起始點(diǎn)）至PLC。速度運(yùn)算控制模塊，主要為電子齒輪，檢測主體設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)時(shí)速度，反饋給控制系統(tǒng)。主軸編碼器讀取設(shè)備主驅(qū)動(dòng)軸速度信號(hào)，通過通信模塊反饋模擬量信號(hào)給PLC，經(jīng)過PLC處理后，經(jīng)輸入輸出模塊輸出電壓信號(hào)到運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器按預(yù)錄程序控制伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作，控制跳步輥帶動(dòng)鋁箔按需求生產(chǎn)。
全息電眼尋找全息電化鋁光標(biāo)信號(hào)作為與主產(chǎn)設(shè)備鋁箔燙印位置同步的位置起始點(diǎn)，跳步輥運(yùn)行過程中，全息電眼實(shí)時(shí)檢測色標(biāo)偏差并進(jìn)行報(bào)警提示，反饋位置信號(hào)給輸入輸出模塊，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)給PLC，實(shí)時(shí)保障獨(dú)立驅(qū)動(dòng)燙金鋁箔的燙印點(diǎn)與主產(chǎn)設(shè)備同步。
項(xiàng)目組自2019年末成立，設(shè)備動(dòng)力部聯(lián)合生產(chǎn)部、成型部對(duì)項(xiàng)目的具體內(nèi)容按項(xiàng)目組預(yù)定的目標(biāo)和期量逐步推進(jìn)，過程如下。
①根據(jù)前期系統(tǒng)信息交互需求分析，完成獨(dú)立驅(qū)動(dòng)跳步輥模糊控制系統(tǒng)整體開發(fā)，建立主產(chǎn)設(shè)備與獨(dú)立驅(qū)動(dòng)燙印系統(tǒng)的IO通訊，形成閉環(huán)控制，減少對(duì)主控制系統(tǒng)信息反饋。
②完成控制系統(tǒng)主體硬件如編碼器、PLC、觸摸屏等部件安裝，控制回路鋪設(shè)，完成主軸、從軸跳步輥制作安裝。
③全息光標(biāo)信號(hào)選型。原博斯特燙金設(shè)備全息光標(biāo)傳感器采用思科D-79183傳感器，其對(duì)光標(biāo)的反饋信號(hào)為2.88VDC直流信號(hào)，輸入電路板后，通過程序邏輯放大。
獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子S120型PLC，只能接受24-30VDC直流信號(hào)。項(xiàng)目組首先采用固態(tài)放大器等效放大電壓值，在套準(zhǔn)過程中固態(tài)繼電器無法滿足生產(chǎn)需求（光標(biāo)固態(tài)繼電器通斷響應(yīng)速度無法滿足光標(biāo)切換要求）。之后項(xiàng)目組采用TAKEXF70-R傳感器，試驗(yàn)過程中該傳感器對(duì)光標(biāo)距離要求較高（傳感器有效距離2～4mm），現(xiàn)有設(shè)備內(nèi)部空間狹窄，無法滿足。
最終經(jīng)過項(xiàng)目組反復(fù)對(duì)比選型，LEUZEKRT18BM傳感器可以滿足控制系統(tǒng)輸入信號(hào)要求（光標(biāo)檢測輸出值25VDC，檢測距離8～20mm，傳感光源入射角廣域0°～±25°）。
④全息光標(biāo)套準(zhǔn)同步實(shí)現(xiàn)。由于原設(shè)備進(jìn)紙檢測光電信號(hào)已做保護(hù)無法讀取，加裝輔助光電檢測紙料送達(dá)信號(hào)。為讀取設(shè)備主電機(jī)角信息，增加主電機(jī)編碼器，反饋機(jī)器角度到運(yùn)動(dòng)控制器。在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，主電機(jī)角度與齒輪盤角度存在減速比，比值無法讀取，并且存在累計(jì)誤差，導(dǎo)致獨(dú)立驅(qū)動(dòng)跳步軸輥無法與原跳步輥同步。因此變更初步設(shè)計(jì)，將機(jī)器角度讀取點(diǎn)改為燙印齒輪盤部，加裝檢測編碼器，開發(fā)一種主從追隨的多軸同步控制系統(tǒng)。
⑤加裝軸電化鋁收箔。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)跳步輥不直接控制主體設(shè)備的電化鋁收箔架，不獨(dú)立收集印后電化鋁，與原A軸、B軸、C輥中任意一根跳步輥共同收集鋁箔。
⑥獨(dú)立跳步輥跳步啟動(dòng)時(shí)間、加速度、停止時(shí)間控制。根據(jù)主體設(shè)備實(shí)時(shí)速度，設(shè)置等比線性比率，通過機(jī)械方式連接主軸與從軸，松開從軸始能，從軸編碼器只測讀主軸在不同速度下圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。通過從軸編碼器讀取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)曲線，繪制線性同步關(guān)系，作為從軸的運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)定值。
以下選取測定過程中的幾個(gè)典型值，簡單模擬兩根軸之間同步性能，構(gòu)建同步系統(tǒng)仿真模型過程。
首先對(duì)主軸及從軸單步跳步予以模擬，假定跳步程序設(shè)置跳步軸為勻跳三小步，每次一格，每格長度75mm。
①通過設(shè)備點(diǎn)動(dòng)，將主軸初始位置點(diǎn)動(dòng)到設(shè)備0°，將從軸與主軸通過抱箍剛性連接，松開從軸電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，利用從軸編碼器讀取主軸運(yùn)動(dòng)曲線，得出3個(gè)設(shè)備生產(chǎn)速度值下的曲線測定值。下面分別測得主軸在設(shè)備生產(chǎn)速度為1800S/h、2650S/h、3600S/h時(shí)，跳步一個(gè)周期中，主軸的運(yùn)動(dòng)曲線。
第一組：當(dāng)V生=1800S/h時(shí)，測得V主=245mm/s，如圖4所示。
第二組：當(dāng)V生=2650S/h時(shí)，測得V主=255mm/s，如圖5所示。
第三組：當(dāng)V生=3600S/h時(shí)，測得V主=290mm/s，如圖6所示。
圖4 當(dāng)V生=1800S/h時(shí) ，測得V主=245mm/s
圖5 當(dāng)V生=2650S/h時(shí)，測得V主=255mm/s
圖6 當(dāng)V生=3600S/h時(shí)，測得V主=290mm/s
②分析編碼器參數(shù)以及負(fù)載特定變化下同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)能力。
③對(duì)從軸位置實(shí)施標(biāo)定，根據(jù)相對(duì)同步定義，設(shè)定在主軸初始位置為0°時(shí)，從軸當(dāng)前位置定義為0°。
④設(shè)定從軸在設(shè)備生產(chǎn)速度為3100S/h時(shí)，跳步輥勻跳三小步，每次一格，每格長度75mm的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖7所示。
圖7 從軸的設(shè)定運(yùn)動(dòng)曲線
⑤設(shè)定參數(shù)后運(yùn)行從軸，測得從軸在設(shè)備生產(chǎn)速度為3100S/h下運(yùn)行時(shí)，跳步一個(gè)周期中，從軸的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖8所示。
圖8 從軸的運(yùn)動(dòng)曲線
在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中，主軸、從軸系統(tǒng)參數(shù)和外部負(fù)載基本一致，從軸慣量與主軸默認(rèn)相等，根據(jù)同步系統(tǒng)主軸從軸誤差對(duì)比調(diào)整，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，從軸追隨主軸誤差最大達(dá)到0.25mm。
⑥急停信號(hào)觸發(fā)：遇到卡紙停機(jī)等異常狀態(tài)時(shí)，讀取主電機(jī)離合器停車信號(hào)，保障電化鋁處于緊繃狀態(tài)，張力穩(wěn)定。
⑦燙金全息跳步軸控制程序流程如下。
a.設(shè)備啟動(dòng)后，紙張由輸紙區(qū)經(jīng)過送紙飛達(dá)吸附，傳輸機(jī)構(gòu)送入合壓燙印區(qū)。進(jìn)入之前，預(yù)檢測電壓檢測到紙張到達(dá)信號(hào)，全息燙印控制系統(tǒng)啟動(dòng)并讀取主軸狀態(tài)。
b.主軸按初始設(shè)定拉動(dòng)電化鋁一段距離，防止電化鋁二次燙印造成重燙風(fēng)險(xiǎn)。
c.當(dāng)電化鋁拉動(dòng)到預(yù)設(shè)定的長度左右后，全息光標(biāo)傳感器對(duì)該位置的電化鋁光標(biāo)執(zhí)行尋標(biāo)過程，直到找到光標(biāo)的邊沿，全息傳感器送出經(jīng)放大的直流電壓信號(hào)到運(yùn)動(dòng)控制器。
d.紙張進(jìn)入合壓區(qū)后，設(shè)備合壓，完成電化鋁全息部分轉(zhuǎn)移。
e.完成預(yù)先設(shè)置的幾短幾長的跳步參數(shù)。
f.全息燙金控制系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制。在運(yùn)行過程中，如果發(fā)生從軸電化鋁鋁箔橫向偏移超過1mm以上（如電化鋁傾斜、錯(cuò)位，以及紙張橫向定位故障）、縱向光標(biāo)連續(xù)有N個(gè) （N為HMI設(shè)定個(gè)數(shù)）以上未能讀取到光標(biāo)信號(hào)（而同時(shí)間段主軸光標(biāo)傳感器反饋有光標(biāo)信號(hào)），則屬于燙印工藝中的漏燙質(zhì)量事故，成為重大質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
為了防止在高速生產(chǎn)中出現(xiàn)漏燙現(xiàn)象，需要增加從軸電化鋁橫向糾偏傳感器、縱向光標(biāo)傳感器，當(dāng)生產(chǎn)中實(shí)時(shí)檢測結(jié)構(gòu)不滿足設(shè)定值時(shí)，立即反饋停機(jī)信號(hào)到主設(shè)備控制系統(tǒng)，主電機(jī)抱閘并緊急停機(jī)。
通過建立基于主從追隨控制的多軸同步控制系統(tǒng)力學(xué)模型，分析編碼器同步讀取、負(fù)載變化干擾等因素對(duì)同步控制系統(tǒng)的影響，采用西門子多軸運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)全息燙印多軸同步控制系統(tǒng)。SIMOTION系統(tǒng)提供了多軸同步運(yùn)動(dòng)工藝模塊，并設(shè)計(jì)了丟失光標(biāo)的保護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了增加跳步軸后燙金設(shè)備的高速多軸生產(chǎn)功能。經(jīng)過技術(shù)改造后的設(shè)備，達(dá)到了項(xiàng)目立項(xiàng)目的，交付后，運(yùn)行高效、可靠。其控制方式可以推廣到其他鋁箔印刷、薄膜印刷、雙臂油缸等大型復(fù)雜機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)，極具推廣價(jià)值。
項(xiàng)目調(diào)試完成后，已試生產(chǎn)過兩個(gè)批次蘭州小盒產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品信息收集及試用反饋，使用新系統(tǒng)后，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，生產(chǎn)效率高，匹配新跳步軸后生產(chǎn)速度可達(dá)6000S/h，全息燙印精度達(dá)到±0.10mm，且新系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作方便，不會(huì)增加生產(chǎn)人員的勞動(dòng)量。
作者：湖南福瑞印刷有限公司 田 迪
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